電動汽車車載充電系統逆變電路的研究

陳麗穎(綏化學院，黑龍江綏化 152061)

電動汽車車載充電系統逆變電路的研究

陳麗穎
(綏化學院，黑龍江綏化 152061)

電動汽車是環保和節能產品的研究熱點之一。良好的充電技術水平是其穩定運行的前提條件，并且直接影響汽車產業的發展前景。本文提出了車載充電系統的逆變電路主電路圖，針對逆變電路考慮輸出諧波少并且減少噪聲的設計原則，對逆變電路的主電路進行了設計,并對部分參數進行了計算。然后利用MATLAB/Simulink軟件對逆變電路輸出的電壓和部分電路的損耗進行仿真、對比，從而提出了系統電路的優化方法，驗證了理論分析和方法的正確性。

車載充電系統；DC/DC變換器；SiC；MATLAB/Simulink

電動汽車環保節能的優越特性，使其成為當今世界工業產品研究的熱點。充電技術一直是電動汽車穩定運行的關鍵技術之一，也是當今研究者們關注的熱點。而國內外文獻較多研究充電系統的設計結構[1]，也有對充電系統的充電程序進行詳細研究與設計[2-4]。然而，對電動汽車充電系統的效率和控制精度相關問題的系統研究卻很少。本文首先對車載充電系統進行整體設計，對部分電路進行參數計算及優化，并通過對逆變電路輸出電壓波形及充電電壓波形的仿真進行驗證。

1 系統整體設計

本文研究的車載充電系統的主電路輸入電壓為220V，最大功率值可輸出為4kW，輸出電壓最高達450V，最大輸出電流可達12A；充電系統主電路結構前級為Boost型APFC電路，對功率因數進行校正；可對充電系統的控制精度進行全面調整，包括穩壓精度和穩流精度都會有較大的提升；后端為全橋逆變電路[5]，由于其具有結構簡單、功率輸出大、變壓器利用效率高，可以在負載范圍調節很大的前提下實現零電壓開關，并且對抑制副邊輸出整流二極管的反向恢復損耗的輸出也起到重要作用。在主電路系統中的兩級電路采用同一控制電路對系統整體控制，本文著重研究全橋逆變電路部分，其系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 全橋式變換主電路及工作原理

全橋式變換電路[6]如圖2所示。此種電路是逆變電路中應用最廣并且效率較高的電路，電路中的四個橋臂，通過兩對橋臂交替導通，從而實現輸出的電壓和電流波形相同，而幅值卻比半橋電路的輸出相應的幅值高一倍，在主電路中變壓器原邊會形成交變電壓，同時也存在直流成分。當整個電路的直流輸入電壓E改變時，輸出的直流電壓就可以相應改變，并且輸出功率會隨著輸入電壓的增大而增大。變壓器Tr原邊電流中的直流成分，長時間作用在變壓器上會導致氣隙磁場發生變化，從而導致鐵心磁化直至達到飽和狀態。致使變壓器無法正常穩定工作，此問題可以通過在變壓器原邊串聯一隔直電容，將原邊的直流成分濾掉來解決。Q1～Q4四個開關管均采用MOSFET管，其內部的結電容也是實現零電壓開關的必要條件。

圖2 全橋式變換電路

2.1 高頻變壓器設計

充電系統中的變壓器主要起著能量傳輸的作用，并且對四個開關管的零電壓范圍調節和占空比的減小有改善作用。設定高頻變壓器最高輸入電壓Uin=350V；最高輸出電壓U0=450V；最大輸出電流I0=12A；工作頻率fs=100kHz；變壓器初級電壓設為350V。

次級電壓與線路壓降、整流二極管壓降、占空比丟失、電池負載的內阻等要素相關。

DN是占空比為0.45；UP為最大輸入電壓；N是原副邊匝比為0.7；Kf為有效值與平均值之比波形系數，正弦波時數值為4.44，方波時數值為4；fs為開關頻率100kHz；ΔBm為工作磁感應強度，通過計算為0.12T；磁芯有效面積Ae=5.32cm2。

2.2 功率開關管的選擇

在大容量逆變電路中，開關管通常選用MOSFET，本文考慮變換器的原理及兩端最大電壓，選用功率場效應管為電源的開關器件。開關管的主要參數與電路中實際電壓電流大小有關：在本文中主電路系統中功率因數校正后電壓輸出為350V，可判斷每個開關管所承受的最大電壓為最大輸入直流電壓，所以在選擇開關管耐壓容量時為該電壓1.5～2倍左右的額定電壓；計算后變壓器原邊電流最大值為24.2A，若考慮電流安全裕量，為滿足電路要求，可以選擇耐流為最大電流1.5～2倍以上的容量為開關管的額定電流。

3 仿真分析

為減少電路中的損耗，并且降低元件能量損耗，本文通過MATLAB/Simulink軟件對電路中的二極管進行仿真。為得到精確的仿真結果，采用瞬態分析法。本次仿真設置最大時間步長為4×10-7，電壓電流相對精度為10-3。仿真的時間區間設置為[0.01s,0.03s]。

圖3為逆變電路中分別使用SiC二極管和Si二極管的反向恢復電流仿真結果。可以看出兩種二極管的反向恢復時間幾乎相同，但是反向恢復電流相差是比較大的，SiC二極管的反響恢復電流明顯減小。因此本文采用SiC二極管。

圖4是電壓經過變壓器傳輸后未經過濾波得到的電壓波形，波形表現為雙極性SPWM波形。圖5是經過濾波電路后的逆變電路輸出的電壓波形，經過濾波后的波形有效值約為220V、50Hz的正弦波電壓。圖6為車載充電系統電路輸出電壓波形。

圖3 續流二極管的反向恢復特性仿真結果

圖4 逆變器的輸出電壓波形(濾波前)

圖5 逆變器的輸出電壓波形(濾波后)

圖6 充電電壓波形

4 結語

本文對電動汽車的車載式充電系統中的逆變電路進行了優化設計和參數計算，利用MATLAB/Simulink軟件對逆變電路的主電路進行建模和仿真，并通過對二級管的輸出電流進行仿真，選定SiC二極管，然后對逆變器的輸出電壓及充電電壓進行波形仿真，研究結果證明了充電系統設計的可行性。

[1]鄧宏偉.電動汽車車載充電機的研究與電路設計[D].廣州:華南理工大學,2013.

[2]張學芹,鄧元望.電動汽車車載充電系統的設計與研究[J].輕工科技,2014(11):57-59.

[3]李昌林.電動汽車車載充電系統的設計與實現[D].武漢:武漢理工大學,2008.

[4]杜常清,潘志強,趙奕凡,等.電動汽車車載充電系統研究[J].電源技術,2016(6):1277-1279,1329.

[5]徐偉,劉和平,任發.電動汽車車載充電系統的設計和仿真[J].計算機仿真,2010(12)：307-311.

[6]余彬.數字控制移相全橋DC/DC變換器的研究與設計[D].西安:陜西科技大學,2015.

[7]吳清玲.高壓高頻變壓器的研究與設計[D].沈陽:沈陽理工大學,2014.

The Research of Electric Vehicle on-board Charging System Inverter Circuit

CHEN Li-ying

(Suihua University, Suihua Heilongjiang 152061,China)

The electric vehicle is one of the research hot spots of environmental protection and energy saving products. The charging module is one of the key technologies for its stable operation. The research of the technical level has a direct impact on the development of the automobile industry. In this paper, the main circuit diagram of the inverting circuit of the in-vehicle charging system is proposed. Some parameters of the inverter circuit are calculated according to the principle of designing the inverter circuit with less output harmonics and less noise. And the simulation of the output voltage and the loss of some circuits are done by using MATLAB /Simulink.The optimization method of the circuit is presented and the correctness of the theoretical analysis and method is verified.

on-board charging system; DC/DC converter; SiC; MATLAB/Simulink

2016-12-14

綏化市2015科技計劃項目“電動汽車車載高頻充電系統研究”(SHKJ 2015-021)。

陳麗穎(1977- )，女，實驗師，博士研究生,從事電力電子與電力傳動研究。

TM912

A

2095-7602(2017)04-0034-04